基于有限元的汽车发动机连杆强度与疲劳分析
引言
连杆是发动机的重要零件之一，连接着活塞和曲轴并把作用在活塞上的力传给曲轴，以便将活塞的直线往复运动转变为曲轴的旋转运动。连杆在高压下作变速运动，故它在工作中的受力情况很复杂，如气体作用力、运动质量惯性力、摩擦力以及阻力。在设计发动机连杆时，要保证连杆具有足够的刚度和强度。利用 ANSYS Workbench 对捷达汽车发动机连杆在工作过程中的受力情况进行有限元仿真计算，分别得到连杆在工作过程中受拉伸和压缩时的最大主应力和最大切应力以及最危险位置，为汽车连杆的设计与结构优化、强度校核提供理论根据。
正文
研究背景
连杆是内燃机的一个重要的结构零件，其作用是连接活塞和曲轴，将作用在活塞上的力传递给曲轴，使活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动对外输出做功连杆小头与活塞销相连接，与活塞一起做往复运动，连杆大头与曲柄销相连和曲轴一起做旋转运动。因此，连杆体除了有上下运动外，还左右摆动，做复杂的平面运动。所以，连杆的受力情况也十分复杂工作中经受拉伸、压缩和弯曲等交变载荷的作用，易引起连杆的疲劳破坏，甚至直接关系到操作人员的安全从而造成严重的后果。因此连杆的工作可靠性一直是人们在内燃机研究和改进过程中关注的热点问题。连杆必须具有足够的结构刚度和疲劳强度来保证其工作可靠。即在力的作用下，应避免杆身被显著压弯而导致活塞相对于气航、衬套相对于轴颈发生歪斜。同时，应避免连杆大小头孔的显著变形而导致与轴承无法正常的配合。连杆的工作可靠性在很大程度上影响着整个内燃机的工作可靠性。如果连杆设计得不合理，使用中会出现应力集中现象或者局部强度或刚度不足，使连杆杆身发生形变，导致连杆失效，轻则会影响曲柄连杆机构的正常工作，使机械效率下降；重则会破坏活塞的密封性能，使排放恶化甚至造成活塞拉赶、拉瓦，使发动机无法正常工作。以往对发动机的一些主要零部件如曲轴、连杆、活塞、气紅盖和机体等，由于结构复杂，使用传统的力学计算方法只能大致反映这些零件的受力状态，随着时代的进步，这些经验公式已经远不能满足计算精度的要求。
有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具。从七十年代幵始有限元技术在发动机结构设计中广泛应用，并且随着大型通用有限元分析软件的发展而广泛应用，给工程结构计算带来了极大的方便，关于连杆的有限元计算也从最初的平面连续模型发展到如今的复杂的三维实体模型，从而大幅度地改进了连杆预测性能和设计技术提高了连杆设计的可靠性。
近几年来，随着计算机软件水平的提高大型有限元软件的前后处理能力不断加强，因此，采用现代设计理论和方法对发动机连杆进行结构强度分析对连杆结构的设计和优化具有非常重要的意义。
采用有限元分析方法，利用Ansys Workbench软件中Static Structural模块对发动机连杆建立简化实体模型和网格模型，并对其进行工作状态下力学性能进行模拟分析，得出了连杆总变形、等效应力以及等效弹性应变分布。
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